機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)診斷方法原理分析
2012-12-31 00:00:00任越
【摘 要】本文針對機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)診斷方法原理進(jìn)行簡要分析論述。
【關(guān)鍵詞】機(jī)電工程；系統(tǒng)故障；動(dòng)力特性；固有頻率
0.引言
故障診斷是根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息查找故障源，并確定相應(yīng)決策的一門綜合性的新興學(xué)科。它初步形成于20世紀(jì)60年代，迅速發(fā)展在70、80年代，集大成于80、90年代，它是一門既有基礎(chǔ)理論，又有廣泛實(shí)際應(yīng)用背景的正在不斷完善和發(fā)展的交叉性工程應(yīng)用性學(xué)科。
1.機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)診斷涵義
機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障是指其功能失常，即機(jī)電系統(tǒng)處于異常狀態(tài)（工作狀態(tài)劣化），設(shè)備損壞是設(shè)備狀態(tài)劣化的一種表現(xiàn)形式。機(jī)電設(shè)備是由多個(gè)子系統(tǒng)和元素組合形成的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，其組合是多層次的，而且各層次之間的聯(lián)系是不完全確定的；對于相同的機(jī)電設(shè)備，其相同的輸入也難有完全相同的輸出。因而機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障的原因有多方面的因素，主要有：
（1）設(shè)備設(shè)計(jì)不當(dāng)（如結(jié)構(gòu)不合理，動(dòng)態(tài)特性差等）。
（2）機(jī)械制造與裝配不當(dāng)（加工誤差大、配合性質(zhì)不合理等）。
（3）設(shè)備安裝不當(dāng)（與相關(guān)設(shè)備的聯(lián)接超差、基礎(chǔ)變形等）。
（4）設(shè)備運(yùn)行條件不當(dāng)（潤滑狀態(tài)不良，工藝過程參數(shù)不匹配等）。
（5）設(shè)備維修措施不當(dāng)（維修過程改變或破壞了設(shè)備原有的動(dòng)態(tài)特性和配合性質(zhì)等）。
（6）設(shè)備劣化（設(shè)備經(jīng)長期運(yùn)行，其零部件發(fā)生應(yīng)力集中及磨損等）。
（7）設(shè)備操作不當(dāng)（違章改變工況、超負(fù)荷運(yùn)行、起停機(jī)不符合操作規(guī)程等）。
在診斷過程中，必須利用被診斷對象所表現(xiàn)出來的各種有用信息，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗头治鰪亩@得最能識別設(shè)備狀態(tài)的特征參考，以便作出正確的診斷結(jié)論。
2.振動(dòng)信號處理
振動(dòng)是物體運(yùn)動(dòng)的一種形式，它是指物體經(jīng)過平衡位置而往復(fù)變化的過程。在許多情況下，振動(dòng)是反映機(jī)器狀態(tài)最敏感的參數(shù)，即使機(jī)器狀態(tài)發(fā)生微小的變化也往往能從振動(dòng)的變化中反映出來。振動(dòng)診斷是通過測量分析機(jī)器的振動(dòng)信號獲取有關(guān)狀態(tài)信息來判斷其狀態(tài)的一種現(xiàn)代化設(shè)備管理方法。振動(dòng)診斷與其它設(shè)備診斷方法相比有很大的優(yōu)越性，目前，振動(dòng)診斷技術(shù)無論在理論上還是在方法上都比較成熟，振動(dòng)診斷在各種診斷方法中占的比例最大，一般到70%左右。雙轉(zhuǎn)盤沖擊破碎機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，振動(dòng)故障更是其故障的主要表現(xiàn)形式。
2.1按振動(dòng)產(chǎn)生的原因分類
（1）自由振動(dòng)給系統(tǒng)一定能量后，系統(tǒng)所產(chǎn)生的振動(dòng)。若此系統(tǒng)無阻尼，則系統(tǒng)維持等幅振動(dòng)；若系統(tǒng)有阻尼，則系統(tǒng)為衰減振動(dòng)。
（2）受迫振動(dòng)元件和系統(tǒng)的振動(dòng)是由周期變化的外力作用所引起的，如不平衡、不對中所引起的振動(dòng)。
（3）自激振動(dòng)在沒有外力作用下，只是由于系統(tǒng)本身的原因所產(chǎn)生的激勵(lì)而引起的振動(dòng)，如油膜振蕩、喘振等。
2.2按振動(dòng)頻率分類
機(jī)械振動(dòng)頻率是設(shè)備振動(dòng)診斷中一個(gè)十分重要的概念。在各種振動(dòng)診斷中常常要分析頻率與故障的關(guān)系，要分析不同頻段振動(dòng)的特點(diǎn)，因此了解振動(dòng)頻段的劃分與振動(dòng)診斷的關(guān)系很有實(shí)用意義。按振動(dòng)頻率的高低，通常把振動(dòng)分為3種類型：低頻振動(dòng)（ f<10Hz）；中頻振動(dòng)（f=10-1000Hz）；高頻振動(dòng)（f>1000Hz）
3.時(shí)間領(lǐng)域內(nèi)的信號處理
亦稱時(shí)域分析，它是通過觀察振動(dòng)信號的時(shí)間歷程，對其信號的周期性及隨機(jī)性給出定性評價(jià)，從而可以估計(jì)設(shè)備所處的技術(shù)狀態(tài)，為狀態(tài)維修提供維修策略。之所以要進(jìn)行時(shí)域分析，就是因?yàn)樗形唇?jīng)過象FFT那樣的信號處理，不會(huì)產(chǎn)生信號的泄漏或畸變，因而具備了能直觀地反映信號的特征這一重要優(yōu)點(diǎn)。時(shí)域分析的主要技術(shù)包括：波形分析、指標(biāo)因數(shù)、同步平均、軸心軌跡、統(tǒng)計(jì)分析方法，相關(guān)分析等。
4.頻率領(lǐng)域內(nèi)的信號處理
4.1頻譜分析的意義
頻率領(lǐng)域內(nèi)信號分析的基礎(chǔ)是頻譜分析。一般工程上所測得的信號多為時(shí)域信號。為了通過所測得的振動(dòng)信號觀測了解診斷對象的動(dòng)態(tài)行為，往往需要頻域信息。采用頻譜分析方法，是利用某種變換，將復(fù)雜的信號分解為簡單信號的疊加，使用最普遍的變換方法是傅里葉變換。通過它，將復(fù)雜信號分解為有限或無限個(gè)頻率的簡諧分量；也就是將一個(gè)組合振動(dòng)分解為它的各個(gè)頻率分量。把各次諧波按其頻率大小從高到低排列起來就成了頻譜。
4.2頻譜分析的原理及其在振動(dòng)診斷中的作用
頻譜分析是機(jī)械故障診斷中用的最廣泛的信號處理方法。機(jī)器設(shè)備故障的發(fā)生、發(fā)展一般都會(huì)引起振動(dòng)頻率的變化。這種變化主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：
一是增生新的頻率成分，二是原有頻率的幅值增長。例如，當(dāng)滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈滾道上出現(xiàn)疲勞剝落、旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡、齒輪存在嚴(yán)重磨損等故障時(shí)，都會(huì)引起頻率結(jié)構(gòu)的變化。實(shí)際上，對振動(dòng)信號作一次頻譜分析，就相當(dāng)于給機(jī)器做一次“透視”檢查。通過頻率分析，振動(dòng)信號的頻率成分的分布情況及其幅值大小都清晰地顯示出來，許多在時(shí)域中看不清楚的問題在頻譜圖中卻顯得很明顯了。
4.3幾種常用頻譜的特點(diǎn)及其應(yīng)用
用于設(shè)備故障診斷的頻譜類型很多，在這里簡要介紹幾種常用的頻譜特點(diǎn)及其應(yīng)用。
4.3.1幅值譜X
把一個(gè)振動(dòng)信號從時(shí)域變換到頻域，是用有限個(gè)或無限個(gè)簡諧函數(shù)表示振動(dòng)信號的一種方法。簡諧函數(shù)是有限還是無限要由振動(dòng)信號X（t）的頻率成分來決定。每個(gè)簡諧函數(shù)都有一個(gè)確定的頻率與之對應(yīng)，一個(gè)頻率代表一個(gè)簡諧函數(shù)。
4.3.2自功率譜S、（簡稱自譜）
自功率譜Sx表示振動(dòng)信號x（t）中各諧波分量的頻率與其能量的關(guān)系，在機(jī)械故障診斷中有著廣泛的用途，用它來分析振動(dòng)信號的頻率成分和結(jié)構(gòu)關(guān)系，以及各頻率成分的能量大小。
4.3.3倒頻譜Cx（簡稱倒譜）
倒頻譜也稱逆譜，或稱功率譜的功率譜。
它是對自功率譜Sx（f）取對數(shù)后再進(jìn)行傅里葉逆變換得到的，因而又回到了時(shí)域，所以倒頻譜又稱作時(shí)譜，時(shí)間單位常用ms（毫秒）。
4.3.4三維功率譜
三維功率譜又稱三維譜陣、轉(zhuǎn)速譜圖、功率譜場、瀑布圖等，是機(jī)器在啟動(dòng)或停車過程中，不同轉(zhuǎn)速下功率譜圖的迭置，縱坐標(biāo)表示機(jī)器的轉(zhuǎn)速，自零升到額定轉(zhuǎn)速（啟動(dòng)），或從額定轉(zhuǎn)速降到零（停車）；橫坐標(biāo)代表頻率：豎坐標(biāo)表明幅值。三維功率譜是描述機(jī)器暫態(tài)過程的有力工具。對機(jī)器振動(dòng)作三維功率譜分析，可以了解通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的情況，用來確定檢測對象的自振頻率，判斷是否存在電磁干擾、不平衡等故障。
4.3.5細(xì)化譜
所謂細(xì)化譜，就是把一般頻譜圖上的某部分頻段，沿頻率軸經(jīng)放大后所得到的細(xì)譜。采用細(xì)化譜圖的目的是為了提高圖像的分辨率。有些故障信號的頻譜（如齒輪磨損后出現(xiàn)的邊頻），由于調(diào)制頻率的間隔很小，儀器的分辨率不能滿足要求，往往找不出這些間隔頻率。這時(shí)如果采用細(xì)化譜分析，就是在所分析的頻率段內(nèi)具有很高的分辨率。從它的功能來看，細(xì)化譜的作用類似于機(jī)械制圖中的“局部放大圖”。
5.小波分析技術(shù)
傅里葉分析的理論基礎(chǔ)是待分析信號的平穩(wěn)性。對于非平穩(wěn)信號，傅里葉分析可能給出虛假的結(jié)果，從而導(dǎo)致故障的誤診斷。對于設(shè)備故障診斷問題來說，由于以下原因，使傅里葉分析的應(yīng)用得到限制：
（1）由于機(jī)器轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，負(fù)荷變化以及機(jī)器故障等原因產(chǎn)生的沖擊、摩擦導(dǎo)致非平穩(wěn)振動(dòng)信號的產(chǎn)生。
（2）由于機(jī)器的各零部件結(jié)構(gòu)不同，致使振動(dòng)信號所包含的不同零部件的故障頻率分布在不同的頻道范圍內(nèi)。特別是機(jī)器隱藏有某一零部件的早期微弱缺陷時(shí)，它的缺陷信息被其它零部件的振動(dòng)信號和隨機(jī)噪聲所淹沒。
對于這類問題，小波分析具有無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。由于小波分解尤其是小波包分解技術(shù)能夠?qū)⑷魏涡盘枺ㄆ椒€(wěn)或非平穩(wěn)）分接到一個(gè)由小波伸縮而成的基函數(shù)族上，信息量完整無缺，在通頻范圍內(nèi)得到分布在不同頻道的分解序列，在時(shí)域和頻域均具有局部化的分析功能。因此，可以根據(jù)故障診斷的需要選取包含所需零部件故障信息的頻道序列，進(jìn)行深層信息處理以查找機(jī)器故障源。近年來，小波分析技術(shù)在齒輪箱故障診斷、顫振分析方面得到了廣泛的應(yīng)用。
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